Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти

Квазівекторна АСЧР із двозонним регулюванням електропривода з АІС містить внутрішні контури регулювання: модуля узагальненого вектора статорного струму (з регулятором струму) та електромагнітного моменту (з регулятором моменту), обчислюваного непрямим способом (через напругу живильної мережі, амплітуду модуля статорного струму, кут керування випрямлячем і параметри головного ланцюга електропривода).

Квазівекторна АСЧР з двозонним регулюванням електропривода із АІН-ШІР має внутрішні контури регулювання: еквівалентної статорної напруги (з регулятором напруги), активної складової статорного струму (з регулятором струму) та модуля потокозчеплення двигуна (у вигляді датчика ЕРС, керованого генератора і системи керування інвертором). Активна складова статорного струму обчислюється через електромагнітний момент АД, вимірюваний непрямим чином у вигляді множення трьох параметрів режиму ПЧ: вхідної напруги інвертора, вихідного струму випрямляча та періоду (або часового інтервалу, кратного періоду) вихідної напруги інвертора. При цьому сигнал, пропорційний ЕРС двигуна, перебуває у вигляді алгеброічної суми вихідного сигналу регулятора струму та активної складової статорного струму АД.

Квазівекторна АСЧР електропривода з АІН із частотно-динамічним гальмуванням, забезпечуючи при нереверсивному випрямлячі двозонне керування АД, містить (поряд з внутрішніми контурами регулювання потокозчеплення та струму випрямляча) функціонуючі на основі широтно-імпульсного способу ввімкнення гальмового резистора (до входу інвертора) блоки гальмування та керування гальмуванням.

Зовнішні контури регулювання розроблених АСЧР з еконо-мічним керуванням виконані у вигляді замкненого контура регулювання частоти статора двигуна. АСЧР з квазівекторним керуванням для електропривода з АІС, реалізуюча економічне керування, містить внутрішні контури регулювання: потокозчеплення двигуна (у вигля-ді датчика ЕРС, керованого генератора та системи керування інвер-тором) і коефіцієнта потужності АД (з відповідним регулятором та пристроєм непрямого обчислення коефіцієнта потужності - через значення вхідної напруги мережі, статорного струму, кут керування випрямлячем та параметри головного ланцюга електропривода).

Розроблені для нединамічних приводів (насоси, вентилятори) АСЧР, реалізуючі економічний режим керування на основі запропо-нованого способу керування асинхронним електроприводом з інвер-торними ПЧ. За даного способу частота статора АД задається прямо пропорціонально ЕРС двигуна та обернено пропорціонально значенню струму статора (або струму в ланці постійного струму інвер-торного ПЧ), що завдяки технічній простоті АСЧР створює режим мінімальних електромагнітних втрат у двигуні.

Квазівекторні АСЧР з економічним керуванням для електроприводів з АІН, АІС та АІН-ШІР містять внут-рішні контури регулювання струму у ланці постійного струму (для АІС та АІН) або модуля статорного струму (для АІН-ШІР) та потокозчеплення двигуна (у вигляді датчика ЕРС ДЕ, керованого генератора КГ з двома входами, датчика струму ДС, обчислювача О і системи керування інвертором СКІ). Схема АСЧР для електропривода з АІН-ШІР відрізняється додатковим внутрішнім контуром регулювання еквівалентної статорної напруги АД (з регулятором напруги) та використанням непрямого способу обчислення ЕРС двигуна (через суму вихідних сигналів регуляторів напруги і струму). У схемах АСЧР на рис.3 застосовані позначення: КВ та СКВ - керований випрямляч і система керування випрямлячем відповідно; ЗІ - задавальник інтенсивності; ДЧ - датчик частоти (дискретно-аналоговий перетворювач); Ф - ланка фільтра; О, О1 - обчислювачі (інерційна та пропорційна ланки з обмеженнями відповідно).

Для нединамічних приводів з АІН-ШІР запропонована АСЧР із амплітудним керуванням, в якій частота основних гармонік вихідної напруги інвертора задається безпосередньо з виходу задавальника інтенсивності, а стабілізація еквівалентної статорної напруги двигуна здійснюється внутрішнім контуром регулювання напруги (з регулятором напруги). Обмеження найбільшого значення електромагнітного моменту (статорного струму) АД виконано за допомогою контролю і подальшого обмеження електромагнітної потужності, яка розвивається двигуном.

Для обмеження максимальних миттєвих значень статорного струму АД під час живлення від АІН-ШІР(ШІМ) запропоновано спосіб, завдяки якому контролюється вхідний струм інвертора й порівнюється з максимально припустимим (з умови збереження комутаційної стійкості інвертора) значенням, з досягненням якого примусово обмежується тривалість провідного стану інвертора.

Запропоновані способи керування електроприводами з інвер-торними ПЧ при осіданнях напруги живильної мережі (нижче її номінального значення), які дозволяють, не створюючи запасу по напрузі вхідної мережі, стабілізувати верхні значення швидкості електроприводів з векторним та квазівекторним керуванням. Ці способи полягають у пропорційному напрузі мережі (або з умови незмінного перевищення не менш ніж на на 1-2 ел.град. кутом керування випрямлячем свого мінімального значення) послабленні магнітного потокозчеплення АД у даному режимі.

Розроблені способи керування електроприводами з інверторними ПЧ при провалах напруги живильної мережі, що для даного режиму полягають у зниженні статорного струму двигуна до значення струму холостого ходу і примусовому перемиканні реверсивного випрямляча в прямий провідний напрямок, забезпечуючи цим безаварійну роботу автономних інверторів з штучною комутацією та інверторів, ведених мережею (у складі ПЧ), і подальший вихід на встановлений режим електропривода.

Створені цифрові моделі електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР, завдяки яким досліджені електромеханічні процеси АД у різних режимах роботи (розгін, накидання і скидання навантаження, реверс і зупинка) з урахуванням дії запропонованих АСЧР, впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інверторних ПЧ та насичення головного магнітного ланцюга двигуна. Достовірність моделей підтверджена експериментальними дослідженнями в ідентич-них режимах електроприводів з інверторними ПЧ та електродвигуном А-114-6М (відхилення обчислених і експериментальних даних не перевищує 5-7 %). Виконані дослідження на моделях електроприводів з векторними та квазівекторними АСЧР підтверджують нормовану якість електромеханічних процесів приводів, що формуються (з відхиленням від стандартних процесів систем підпорядкованого регулювання: по швидкості - менше 2-3 %; по струму і електромагнітному моменту - менше 5 %).

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень електромеханічних процесів у стаціонарних і динамічних режимах роботи асинхронних електроприводів без датчиків усередині та на валу двигуна з розробленими АСЧР, у тому числі в спеціаль-них режимах роботи (при частотно-динамічному гальмуванні та провалах напруги живильної мережі) на прикладі серійних й дос-лідно-промислових зразків електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР і електродвигунами різної потужності: А-114-6М, ВАЗ-16-64-6, А-91-4 та А-62-4 потужністю 320, 3400, 75 та 14 кВт відповідно. Відхилення експериментальних даних від обчислених не перевищує 5-7 %.

Висновки

1. Розвинута теорія електромеханічних процесів частотно-регульованого АД, що полягає в отриманні раніше невідомих функціональних залежностей, в оптимізації та визначенні оптимальних пара-метрів стаціонарних пускових і робочих режимів двигуна під час живлення від різних типів інверторних ПЧ (АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів та насичення головного магнітного ланцюга двигуна і дозволило одержати порівняння, кількісний та якісний аналіз вказаних процесів.

2. Розроблені методики розрахунку стаціонарних пускових і робочих режимів (екстремального значення середнього електромагнітного моменту і відповідної оптимальної пускової частоти (ковзання), максимальних значень статорного струму та електромагнітного моменту розмаху пульсацій електромагнітного моменту і швидкості) ч-р АД з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів (АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) і насичення головного магнітного ланцюга двигуна, що підвищує якість проектування цих електроприводів.

3. Визначені принцип побудови автоматичних систем частотного регулювання, названий квазівекторним, і засіб його здійснення, що дозволяють при істотному спрощенні систем регулювання формувати електромеханічні процеси асинхронного привода, які близкі до векторного керування.

4. Здійснені ефективні режими керування асинхронних електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР без застосування датчиків усередині і на валу двигуна, що базуються на нових способах (економічного керування, обмеження статорного струму, вимірювання електромагнітного моменту двигуна, керування в умовах просадок і провалів напруги живильної мережі), алгоритмах (часово-імпульсної модуля-ції напруги інвертора) та структурах автоматичного регулювання (з векторним, квазівекторним і амплітудним принципами регулювання, з двозонним і економічним керуванням двигуном, при рекуперативному і частотно-динамічному гальмуванні електропривода), які дозволили створити асинхронні ч-р електроприводи широкого загальнопромислового призначення з якісно новими характеристиками.

5. На основі запропонованих аналітичних залежностей, способів керування і структур регулювання розроблені універсальний алгоритм та цифрові моделі для обчислення електромеханічних процесів у нестаціонарних (динамічних) режимах роботи асинхронних електроприводів з інверторними ПЧ (або джерелами живлення довільної несинусоїдальної форми). Це забезпечує обчислення і аналіз вказаних процесів з урахуванням несинусоїдальної форми статорних напруг (струмів) і насичення головного магнітного ланцюга двигуна, так і впливу АСЧР електроприводів, спрощення процесу обчислення при збереженні достатньої для інженерних задач точності, розширення обсягу інформації стосовно параметрів режимів електропривода.

6. Виконані експериментальні дослідження на серійних та дослідно-промислових зразках асинхронних частотно-регульованих електроприводів потужністю від 14 до 3400 кВт з різними типами інверторних ПЧ (АІС, АІН та АІН-ШІР) і автоматичними системами частотного регулювання електроприводів без датчиків усередині та на валу двигуна, які підтвердили обгрунтованість прийнятих у роботі вихідних положень і припущень, достовірність отриманих результатів, ефективність розроблених технічних рішень.

7. На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень у ВАТ НДІ "Перетворювач" (м. Запоріжжя) створені дослідно-промислові зразки електроприводів потужністю від 10 до 6300 кВт і промислово впроваджені у ВАТ "Запорізький електроапаратний завод" серійні комплектні асинхронні частотно-регульовані електроприводи типів ЕКТ, ЕКТ2, ЕКТ3, ТТП(Е)1 потужністю від 10 до 400 кВт. Досвід експлуатації електроприводів у різних галузях промисловості свідчить про їх роботоздатність та ефективність, а також підтверджує правильність отриманих у дисертації положень, результатів, висновків.

Друковані праці

1. Волков А.В. Анализ и метод расчета пульсаций электромагнитного момента частотно-регулируемого асинхронного двигателя//Техническая электродинамика. - 1989. - № 2. - С. 76-82.

2. Волков А.В. Анализ и метод расчета пульсаций электромагнитного момента асинхронного двигателя, питаемого от автономного инвертора тока// Техническая электродинамика. -1989.- № 4. - С. 69-73.

3. Волков А.В. Анализ пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения// Технічна електродинаміка. - 1996. - № 3. - С. 48-53.

4. Волков А.В. Анализ пусковых режимов асинхронных электроприводов с инверторными преобразователями частоты// Технічна електродинаміка. - 1996. - № 6. - С. 49-54.

5. Волков А.В. Анализ и расчет стационарных режимов асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения//Технічна електродинаміка. - 1998. - № 5. - С. 41-46.

6. Волков А.В. Анализ стационарных режимов асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора с широтно-импульсным способом регулирования выходного напряжения// Технічна електродинаміка. - 1998. - № 6. - С. 42-47.

7. Волков А.В. Исследование пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения// Технічна електродинаміка. - 1996. - № 5. - С. 37-42.

8. Волков А.В. Квазивекторное управление частотно-регулируемым асинхронным двигателем // Технічна електродинаміка. - 1999. - № 3. - С. 32-36.

9. Волков А.В., Андриенко П.Д. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1983. - № 9. - С. 17-21.

10. Волков А.В., Рогалева Т.И. Исследование пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока// Техническая электродинамика. - 1990. - № 5. - С. 77-83.

11. Волков А.В., Рогалева Т.И. Расчет эффективных алгоритмов управления автономным инвертором напряжения// Техническая электродинамика. - 1988. - № 2. - С. 35-40.

12. Волков А.В., Шехтер А.С., Рогалева Т.И. Цифровая модель для исследования электромеханических характеристик асинхронного двигателя при несинусоидальном питании// Промышленная энергетика.- 1990. - № 2. - С. 38-40.

13. Андриенко П.Д., Волков А.В. Исследование на ЭВМ регулировочных характеристик частотно-регулируемого асинхронного двигателя// Техническая электродинамика. - 1986. - № 4. - С. 82-87.

14. Андриенко П.Д., Волков А.В. Способы частотного управления асинхронными двигателями// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1983. - № 10. - С. 13-15.

15. Андриенко П.Д., Волков А.В., Лохматов А.Г. Преобразователи частоты серии ТТП(Е)1// Промышленная энергетика. - 1992.- № 6.- С. 7-9.

16. Андриенко П.Д., Волков А.В., Сухарев В.Н. Модернизированный электропривод серии ЭКТ2-А// Промышленная энергетика. - 1991. - № 5. - С. 9-11.

17. Исследование на ЦВМ алгоритма управления автономным инвертором тока / П.Д. Андриенко, А.В. Волков, М.А. Еременко, Т.И. Рогалева // Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1984.- № 1. - С. 14-16.

18. Комплектный тиристорный электропривод переменного тока типа ЭКТ-250/660 и ЭКТ-400/660/ П.Д. Андриенко, И.А. Гомон, А.В. Волков, А.Г. Николов// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1982. - № 6. - С. 6-7.

19. А.с. 928584 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Электропривод переменного тока/ П.Д. Андриенко, А.В. Волков, Ю.И. Гричина, А.Г. Николов (СССР). - № 2818608/24-07; Заявлено 07.09.79; Опубл. 15.05.82, Бюл. № 18. - 1 с.

20. А.с. 1241391 СССР, МКИ НО2Р 3/24. Устройство для торможения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя/ А.В. Волков (СССР). - № 3501350/24-07; Заявлено 20.10.82; Опубл. 30.06.86, Бюл. № 24. - 1 с.

21. А.с. 1246321 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Частотно-регулируемый электропривод/ А.В. Волков, П.Д. Андриенко (СССР). - № 3778983/24-07; Заявлено 02.08.84; Опубл. 23.07.86, Бюл. № 27.- 2 с.

22. А.с. 1309244 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Электропривод/А.В. Вол-ков, А.С. Шехтер (СССР). - № 3958923/24-07; Заявлено 30.09.85; Опубл. 07.05.87, Бюл. № 17. - 1 с.

23. А.с. 1309247 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод/ А.В. Волков (СССР). - № 3994964/24-07; Заявлено 27.12.85; Опубл. 07.05.87, Бюл. № 17.- 1 с.

24. А.с. 1601728 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом/ А.В. Волков, А.С. Гринченко (СССР). - № 4608326/24-07; Заявлено 23.11.88; Опубл. 23.10.90, Бюл. № 39. - 1 с.

25. А.с. 1793527 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом/ А.В. Волков (СССР). - № 4925088/07; Заявлено 03.04.91; Опубл.07.02.93, Бюл. № 5.-2 с.

26. А.с. 1829102 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления асинхронным электродвигателем / А.В. Волков, А.С. Гринченко, А.Г. Лохматов (СССР). - № 4819779/07; Заявлено 16.03.90; Опубл. 23.07.93, Бюл. № 27. - 1 с.

27. А.с. 1830608 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Способ управления асинхронным электроприводом / А.В. Волков, А.С. Гринченко (СССР). - № 4828405/07; Заявлено 28.05.90; Опубл. 30.07.93, Бюл. № 28. - 1 с.

28. Пат. 2039955 Россия, МКИ НО2Р 7/42. Способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя/ А.В. Волков (Украина).- № 5015192/07; Заявлено 01.07.91; Опубл. 20.07.95, Бюл. № 20.- 1 с.

29. Еременко М.А., Волков А.В., Кобинская Н.А. Проектирование частотно-регулируемых электроприводов на ЭВМ// Тез. докл. VII конф. "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями". - Свердловск. - 1986. - С. 33.

30. Высоковольтный асинхронный электропривод/ П.Д. Андриенко, А.В. Волков, В.Б. Сумин, А.С. Шехтер// Тез. докл. VIII конф. "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями". - Свердловск. - 1989. - С. 38.

Размещено на Allbest.ru